作者：任鹏 胡金星 马琪 袁永强 严国灿

    摘 要 目前三维仿真城市只通过单一视角的三维仿真地图进行展示，针对单一视角因视线遮挡造成地理信息丢失的问题，本文提出了一种多视角的三维仿真城市地图方法，即通过多个可以互相切换的视角对三维仿真地图数据进行发布，多视角的三维仿真地图具有信息量大、色彩鲜明、形象立体的优点。本文在分析多视角三维仿真地图数据的基础上，给出了数据组织模型，提出了三维仿真地图的多视角局部坐标与地理坐标的转换方法，实现了多个视角的三维仿真地图的地图调用与发布。

    1 引言

    三维仿真城市作为一种新兴的地图服务形式，已经成为国内各大城市服务市民生活，展现城市魅力的重要手段。三维仿真城市以三维仿真地图、二维地图、遥感影像等数据形式对地理数据进行展示，提供了比较全面的地理信息和良好的用户体验。

    三维仿真地图在城市真三维场景的基础上，以一个固定的视角生成的具有视觉立体效果的栅格地图数据，它吸收了传统的二维地图与真三维地图的优点，不但在地图的视觉效果方面具有真三维地图形象立体、色彩艳丽的特点，而且在地图性能方面与传统的二维地图相差不大，甚至完全满足大数据交互量的公众服务的需要。但目前的三维仿真城市地图只是从单一固定的视角进行地图数据的展示，而单一视角的三维仿真地图通过一个固定视角来观测城市地物，只有被观测地物正对观测视角的部分是可见的，而被观测地物背对观测视角的部分是不可见的，这样地物背面的形状与纹理信息就会丢失。此外，城市是一个地理环境相对复杂的系统，地形高低起伏、 城市建筑错落有致，以单一视角三维仿真地图的形式进行可视化展示，绝对高度高的地物对绝对高度低的地物不可避免的会产生视觉遮挡，直接导致了大量的地理位置信息、地物形状信息与拓扑信息的丢失。综上所述，单一视角的三维仿真地图大大限制了三维仿真地图的信息表量。

    针对上述问题，本文提出了一种多视角的三维仿真城市地图解决方案，通过不同视角的三维仿真地图对同一区域的地理数据进行展示，并实现不同视角的三维仿真地图之间的快速切换，进而有效地减少地物的不可见部分，进一步提高了三维仿真城市的地理信息量，丰富了三维仿真地图的展示手段。

    2 多视角三维仿真城市的地图数据管理

    2.1 数据组成

    多视角三维仿真城市的地图数据由多个视角的三维仿真地图、二维地图与高分辨率遥感影像组成。多视角三维仿真城市的二维地图采用标准的数字栅格地图DRG(Digital Raster Graphic)，数字栅格地图是在纸质地图的基础上经过扫描、图像处理与几何纠正纠正得到，在数字栅格图制作时就已经对地图进行了图幅定向处理，二维栅格地图扫描坐标与地理坐标是精确匹配的。

    遥感影像主要来源于航空拍摄，拍摄过程中由于摄影高度、角度等问题，会存在一定的数据误差，使用GIS软件将遥感影像与参考地图进行坐标校准，使遥感影像的坐标配准到地理坐标系上，遥感影像与地理坐标也是精确匹配的。

    城市三维仿真地图是在城市真三维场景的基础上，从某一个既定的视角，在平行光投影条件下渲染得到的。多个视角的城市三维仿真地图基于同一个真三维场景，分别采用不同的视角渲染生成的，可以认为是对城市三维场景在不同视角的观测视图。三维仿真地图在本质上是栅格地图，而且由于倾斜视角、视点高度等问题，三维仿真地图是存在地理形变的。但倾斜视角增强了三维仿真地图的立体感，有利于地图的可视化，因此不能通过简单的几何纠正来消除倾斜视角带来的形变。

    针对多视角三维仿真城市具有数据种类繁多、数据量大的特点，必须建立与之相应的数据组织模型，进行有效地数据组织管理。

    2.2 数据组织

    金字塔模型是一种典型的多比例尺分层数据结构，是管理多比例尺地图数据的一种有效的数据组织模型。但多个视角的三维仿真地图数据类型较多，不同类型的地图数据之间相对独立，因此必须针对不同的数据类型，分别建立金字塔结构，金字塔与金字塔之间是平行的，最终形成一系列的金字塔，并对这一系列的金字塔采用一套统一的数据编码。这里把一系列采用统一编码，相互关联的又相对独立的金字塔模型称为金字塔群组，金字塔群组是适合多视角三维仿真城市地图数据组织的数据结构。

    金字塔群组的建立首先要建立群组内的各个子金字塔，多视角三维仿真城市的每种地图类型对应一个子金字塔结构，不同视角的三维仿真地图也视为不同的地图类型。建立地图瓦片金字塔必须对原始的地图数据进行处理，包括对地图数据的分层与分块。

    把原始的地图数据作为金字塔的底层，采用自底向上的方式建立地图金字塔。按照2的倍数逐层缩小，对地图数据进行重采样，生成高层地图数据，金字塔不同层的地图数据对应不同的比例尺，越是高层的地图数据的比例尺越小。地图分层完成后，需要将不同层的地图数据瓦片化。考虑到金字塔的性能因素，这里把256像素 256像素作为瓦片的基准大小，采用地图分割工具对每一层地图统一进行分割。

    为了方便地图数据的统一组织管理，金字塔群组内地图瓦片的编码方式采用前缀加数字编码加后缀的方式，编码各部分之间以“-”分割。其中前缀标示地图瓦片的数据类型，如“RS”前缀代表该地图瓦片为遥感影像，而“2D”与“3D”分别代表地图瓦片的数据类型为二维地图与三维仿真地图。编码的数字部分为该瓦片所在子金字塔中的顺序编码值，数字编码从子金字塔的第0层开始按图层顺序编码直到最后一层。每一层的编码方式相同，从左上角作为起始瓦片，按照自左至右的顺序依次编码，直到该层瓦片全部被编码。中间图层左上角瓦片的编码紧接上一层右下角瓦片的编码。为了适应地图数据，地图瓦片金字塔的形状不一定是规则的正方形，可以是任意矩阵